高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉文超，李俊士

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

乳化液泵是煤礦井下綜采工作面液壓支架工作的動(dòng)力源[1-3]。近年來(lái)，隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，大采高綜采工作面逐漸增多[4]。為了滿足大采高液壓支架高初撐力和高工作阻力的需求，乳化液泵的設(shè)計(jì)參數(shù)不斷向高壓方向發(fā)展[5-6]。按照MT/T 188.2—2000《煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》[7]的規(guī)定，乳化液泵出廠前都要進(jìn)行性能試驗(yàn)，以保證乳化液泵性能可靠。現(xiàn)階段針對(duì)高壓乳化液泵的性能測(cè)試存在種種弊端，尤其體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)及其關(guān)鍵元部件性能落后，自動(dòng)操作程度低，并不能很好地滿足高壓乳化液泵的測(cè)試需求。基于此，分析了高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)中待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了解決方案，最后運(yùn)用AMESim液壓仿真軟件對(duì)所搭液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，旨在搭建一套適用于高壓乳化液泵性能測(cè)試的液壓系統(tǒng)。這對(duì)保證綜采工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要的意義。

1 高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

1.1 乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)調(diào)壓技術(shù)分析

調(diào)壓裝置是乳化液泵完成各項(xiàng)性能測(cè)試的基礎(chǔ)。目前對(duì)于乳化液泵的測(cè)試，國(guó)內(nèi)外普遍采用節(jié)流閥調(diào)壓和溢流閥調(diào)壓兩種方式[8]。節(jié)流閥調(diào)壓是將節(jié)流閥串接在乳化液泵出口，通過(guò)調(diào)整節(jié)流口大小，給乳化液泵造成不同的出液阻力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的目的。此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，但也存在著一定的弊端，并不適用于高壓乳化液泵的性能測(cè)試，且調(diào)壓過(guò)程需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)化操作程度低。

圖1是一種典型的運(yùn)用先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)壓方式原理圖。它是將先導(dǎo)式溢流閥串接在乳化液泵出口，系統(tǒng)工作時(shí)一部分乳化液通過(guò)阻尼孔打開先導(dǎo)閥芯回到液箱。由于阻尼孔的阻尼作用，主閥芯在上下腔形成壓差并在壓差作用下開啟。通過(guò)調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥部分的調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)先導(dǎo)彈簧的壓縮量，控制先導(dǎo)閥芯的開啟壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的目的[9]。

1-電動(dòng)機(jī); 2-乳化液泵; 3-安全閥; 4-主閥芯; 5-阻尼孔; 6-主閥彈簧; 7-先導(dǎo)閥芯; 8-先導(dǎo)彈簧; 9-調(diào)節(jié)旋鈕。圖1 先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓原理

相對(duì)于節(jié)流閥調(diào)壓方式，溢流閥調(diào)壓方式的壓力脈動(dòng)小，更適用于高壓乳化液泵液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)。但其仍然存在著調(diào)壓過(guò)程自動(dòng)化操作程度的問題低，且在高壓乳化液泵測(cè)試中存在較大的安全隱患。因此，有必要開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化調(diào)控的調(diào)壓裝置，解放勞動(dòng)力，消除安全隱患。

1.2 乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定技術(shù)分析

乳化液泵是一種柱塞泵，其不可避免地會(huì)出現(xiàn)周期性的流量脈動(dòng)，從而導(dǎo)致乳化液泵出口壓力也出現(xiàn)周期性脈動(dòng)[10]。為了消除壓力脈動(dòng)，傳統(tǒng)的解決方案是在乳化液泵的出口安裝蓄能器[11]。然而，對(duì)于高壓乳化液泵而言，其公稱壓力大，測(cè)試用液壓系統(tǒng)的調(diào)壓范圍也大。在采用單個(gè)蓄能器的液壓系統(tǒng)中，若蓄能器充氣壓力高，系統(tǒng)在低壓狀態(tài)時(shí)，蓄能器氣囊壓縮量有限，起不到很好的穩(wěn)壓效果；若蓄能器充氣壓力低，系統(tǒng)在高壓狀態(tài)時(shí)，蓄能器氣囊變形量大，對(duì)蓄能器的損害也比較大，存在較大的安全隱患。因此，對(duì)于高壓乳化液泵的測(cè)試，其液壓系統(tǒng)需要采用一種更為可靠的穩(wěn)壓方案，以滿足高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的測(cè)試需求。

2 高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字式調(diào)壓閥方案

基于對(duì)高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)調(diào)壓關(guān)鍵技術(shù)的分析，本文提出了一種基于直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的數(shù)字式調(diào)壓閥，其工作原理如圖2所示。

1-電動(dòng)機(jī); 2-乳化液泵; 3-安全閥; 4-主閥芯; 5-阻尼孔; 6-主閥彈簧; 7-電磁先導(dǎo)閥; 8-先導(dǎo)閥芯; 9-先導(dǎo)彈簧; 10-直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖2 數(shù)字式調(diào)壓閥工作原理

該數(shù)字式調(diào)壓閥以直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)代替先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)節(jié)旋鈕，通過(guò)控制直線電動(dòng)機(jī)軸的伸縮量，來(lái)達(dá)到控制系統(tǒng)壓力的目的。此調(diào)壓閥充分發(fā)揮了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，控制精度高。另外，該調(diào)壓閥在主閥芯上腔安裝了一電磁先導(dǎo)閥。當(dāng)電磁先導(dǎo)閥通電接通時(shí)，主閥芯上腔乳化液直接回液箱，主閥芯上腔壓力幾乎為0。主閥芯直接開啟，系統(tǒng)卸荷，配合上位機(jī)測(cè)試軟件，其在乳化液泵啟動(dòng)階段可實(shí)現(xiàn)乳化液泵空載啟動(dòng)，也可在系統(tǒng)加載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動(dòng)卸荷。

2.2 基于高低壓蓄能器的雙蓄能器穩(wěn)壓方案

基于對(duì)高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定技術(shù)的分析，本文提出了一種基于高低壓蓄能器的雙蓄能器穩(wěn)壓方案，其工作原理如圖3所示。

液壓系統(tǒng)在低壓狀態(tài)時(shí)，來(lái)自乳化液泵的一部分乳化液直接進(jìn)入高壓蓄能器，另一部分乳化液通過(guò)先導(dǎo)型電磁換向閥進(jìn)入低壓蓄能器。此時(shí)，高、低壓蓄能器同時(shí)接通，低壓蓄能器維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，高壓蓄能器由于充氣壓力較高，氣囊變形量較小，系統(tǒng)壓力不會(huì)對(duì)其造成損害。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到某一值時(shí)，配合上位機(jī)軟件，給先導(dǎo)型電磁換向閥的電磁先導(dǎo)閥發(fā)送控制信號(hào)，其閥芯換向，使泵出口與低壓蓄能器的通道截止；同時(shí)，低壓蓄能器內(nèi)殘留的乳化液則通過(guò)先導(dǎo)型電磁換向閥直接回到液箱，來(lái)自泵的乳化液只進(jìn)入高壓蓄能器，系統(tǒng)由高壓蓄能器來(lái)維持壓力穩(wěn)定。

1-乳化液泵; 2-電動(dòng)機(jī); 3-低壓蓄能器; 4-先導(dǎo)型電磁換向閥; 5-高壓蓄能器; 6-溢流閥。圖3 高低壓蓄能器穩(wěn)壓方案

基于高低壓蓄能器的穩(wěn)壓方案，克服了傳統(tǒng)乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)采用單個(gè)蓄能器而無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)高壓乳化液泵測(cè)試壓力穩(wěn)定的弊端，且結(jié)合上位機(jī)測(cè)試軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)化控制程度高。

2.3 測(cè)試液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述對(duì)高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析并結(jié)合液壓系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)。

1-乳化液泵; 2-電動(dòng)機(jī); 3-過(guò)濾器; 4-低壓蓄能器; 5-先導(dǎo)型電磁換向閥; 6-數(shù)字式調(diào)壓閥; 7-冷卻器; 8-高壓蓄能器; 9-壓力傳感器; 10-溢流閥。圖4 高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真

運(yùn)用AMESim液壓仿真軟件，搭建液壓系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

1-乳化液泵； 2-電動(dòng)機(jī)； 3-先導(dǎo)型電磁換向閥； 4-低壓蓄能器； 5-高壓蓄能器； 6-壓力傳感器； 7-數(shù)字式調(diào)壓閥； 8-溢流閥。圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型

仿真模型中主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的性能，調(diào)壓閥先導(dǎo)彈簧壓縮量和電磁先導(dǎo)閥控制信號(hào)參數(shù)設(shè)置如圖6和圖7所示。

圖6 調(diào)壓閥先導(dǎo)彈簧壓縮量

圖7 調(diào)壓閥電磁先導(dǎo)閥控制信號(hào)

在設(shè)置好系統(tǒng)參數(shù)后，進(jìn)入仿真模式。設(shè)置仿真時(shí)間為20 s，得到系統(tǒng)壓力曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)壓力曲線

由圖8可以看出：在前10 s，隨著先導(dǎo)彈簧壓縮量的變化，系統(tǒng)壓力基本上也隨之成比例變化；在10～15 s區(qū)間內(nèi)，隨著先導(dǎo)彈簧壓縮量保持不變，系統(tǒng)壓力雖有一定的脈動(dòng)，但都維持在一較小的區(qū)間內(nèi)，液壓系統(tǒng)基本保持穩(wěn)定；在15～20 s區(qū)間內(nèi)，當(dāng)數(shù)字調(diào)壓閥的電磁先導(dǎo)閥通電導(dǎo)通時(shí)，系統(tǒng)隨即卸荷，且壓力維持穩(wěn)定。上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了本高壓乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)搭建的正確性和穩(wěn)定性，尤其是數(shù)字式調(diào)壓閥和系統(tǒng)穩(wěn)壓方案的正確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文分析了高壓大流量乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案，并設(shè)計(jì)了高壓大流量乳化液泵測(cè)試液壓系統(tǒng)。運(yùn)用 AMESim液壓仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)及關(guān)鍵元部件的正確性和穩(wěn)定性，為高壓大流量乳化液泵的性能測(cè)試提供了解決方案，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，此液壓系統(tǒng)提高了高壓大流量乳化液泵測(cè)試的自動(dòng)化控制程度，解放了勞動(dòng)力，消除了測(cè)試過(guò)程中的安全隱患。